CN220917431U - 一种超声容积检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了超声容积检测系统，其包括超声传感器、主机，其中主机包括高压脉冲激励模块、选通电路、接收单元、控制单元及显示单元，超声传感器包括呈长条状的柔性pcb板、沿着柔性pcb板长度方向间隔分布在柔性pcb板表面的多个阵列式超声换能器、以及封装在柔性pcb板表面且将多个阵列式超声换能器覆盖的柔性封装层，其中柔性pcb板与选通电路相连通。本实用新型利用多阵元的柔性超声传感器检测待测对象的容积状态，无需成像也可得到容积值，可克服现有产品和方法准确性差、专业技术要求高、操作复杂等缺点，同时应用于临床及工业检测的多个领域，此外，不必为每个超声换能器配备单独的激励和接收电路，降低系统的复杂度。

Description

一种超声容积检测系统

技术领域

本实用新型属于工业及医疗器械领域，具体涉及一种超声容积检测系统。

背景技术

容积检测在工业和医疗领域都有十分重要的作用，例如油罐的容积检测和膀胱容积检测等。

目前，常规的容积检测，需要标准器具和流量计，因此，无法普及应用于复杂场景，尤其是在医疗诊断的膀胱容积检测中，无法获知其标准容器体积及流量计设置的情况，因此，常规的检测方式很难满足需要。

然而，市场上出现激光检测和超声容积检测，其中激光检测是基于激光扫描仪的标定，该方法可以精准检测容积，但无法穿透不透光的壳体或者溶液；超声容积检测，多用于临床，如膀胱容积检测等，其利用B超设备，实现对膀胱截面的成像，计算评估膀胱的容积情况，具有实时快速的特点，但其需要专业临床医生的操作指导，且无法实时监测。

为了实现便捷的实时超声检测膀胱容积状态，所采用的检测设备包括超声传感器、主机和手机(用户终端)组成，其传感器中含有一个超声传感器，放置在膀胱体外皮肤上，通过检测是否有来自小肠的反射波的强度，来推定膀胱中的尿量。该方法具有实时性好、设备简洁、成本低廉等优点，但其主要的不足在于：1、单探头测量，空间分辨率低，准确性不高；2、由于需要探测膀胱后的小肠位置，其放置位置精度要求较高，需要第三方设备和医生辅助进行。

同时，现有膀胱监测专利较多，列举其中最类似的方法和装置，如专利号：201580080297.X；专利名称:尿量推定装置和尿量推定方法，其利用一个传感器，放置在膀胱上，通过检测是否有来自小肠的反射波的强度，来推定膀胱中的尿量。

专利号：201711401220.5；专利名称:一种手持式膀胱测容装置及膀胱测容实现方法需利用3D探头，实现图像梯度计算处理控制，根据图像梯度值快速勾边处理获取膀胱每个截面边界数据获得整个膀胱的容积。

专利号：2017111155019.3；专利名称:一种膀胱测容方法及仪器向膀胱的多个方向发射超声波信号；接收每个方向上的超声波信号经过该方向两侧膀胱壁反射的两次反射信号；根据每个方向上的两次反射信号的时间差确定该方向上膀胱的深度；根据多个方向上膀胱的深度确定膀胱的容积。

专利号：202110182827.9；专利名称:一种基于多阵元超声探头的膀胱尿液量监测方法，利用多个超声探头是否出现膀胱后壁回波信号或者小肠的回波信号，判断目前多个超声探头中三个正对膀胱中尿液的交界面、膀胱的底部和膀胱的顶部，从而计算膀胱的容积。

综上：1)现有超声测量膀胱容量技术精确度差，或需要3D图像扫描膀胱，成像系统算法复杂，测量时间长，设备造价高昂，仪器体积庞大，不适用于实时测量；或采用单阵元探头检测，单阵元超声探头成像需要1-2分钟，或者空间分辨率低，测量结果误差大的技术问题。

2)而之前的多阵元柔性探头检测方案，需要检测出膀胱后壁回波信号或者小肠的回波信号，对贴合的部位和方向有一定的专业性要求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的超声容积检测系统。

本实用新型的超声容积检测系统用于膀胱尿液监测中，采用的多阵元柔性探头监测膀胱利用膀胱充盈尿液前后，前后壁超声回波信号的位置变化，推测出目前膀胱液体所在的液位面，具有实现实时、高灵敏的优点，对相关状态发出相应的处理通知，提醒医生处理或者病患自主排尿等。

为解决以上技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种超声容积检测系统，其包括超声传感器、主机，其中主机包括高压脉冲激励模块、选通电路、接收单元、控制单元及显示单元，超声传感器包括呈长条状的柔性pcb板、沿着柔性pcb板长度方向间隔分布在柔性pcb板表面的多个阵列式超声换能器、以及封装在柔性pcb板表面且将多个阵列式超声换能器覆盖的柔性封装层，其中柔性pcb板与选通电路相连通，检测时，柔性封装层贴设在待检测对象的表面且延伸方向与待检测对象内液位高度方向一致，且多个阵列式超声换能器形成检测范围覆盖整个容腔，选通电路所选通的路数至少有两路。

优选地，在柔性pcb板表面形成有焊盘，每个超声换能器的正负极均与焊盘连通，且在柔性pcb板的一端形成连接器端，连接器端与选通电路相连通。

根据本实用新型的一个具体实施和优选方面，每个超声换能器的背衬层为导电体，焊盘具有正负极，导电体通过导电胶粘接在焊盘上且与焊盘负极连通，超声换能器的正极通过导电线路与焊盘的正极连通。这样方便超声换能器的电路导通式安装。

优选地，导电胶为银胶。

本例中，换能器背衬层为导电材料；同时，需要说明的是，若采用了低频的超声换能器，其没有背衬层，但是超声换能器工作层材料两面镀有金、银、铝等导电电极。

根据本实用新型的又一个具体实施和优选方面，超声换能器为压电超声探头、压电复合超声探头、电容式超声探头或薄膜式超声探头，其中超声换能器的工作频率范围为0.5～20MHz，且超声换能器的直径不大于1cm。这样一来，组成柔性超声传感器的多个超声探头，其可以具有相同的工作中心频率或不同的工作中心频率。这主要取决于该超声探头测量的如果是膀胱前后壁距离较大的位置，其相应位置可以选用频率较低的超声探头，而对应膀胱壁前后距离较小的位置，则选用频率较高的超声探头。

优选地，超声换能器的工作频率范围为1～3MHz。

优选地，超声换能器的直径1～3mm。

根据本实用新型的又一个具体实施和优选方面，柔性封装层为水凝胶、硅胶、橡胶或胶带。也就是说，柔性封装层不仅能够对超声换能器和柔性pcb板的电路起到保护作用，而且能够粘附待检测对象，本例中，采用的是PDMS，聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)，是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。

优选地，高压脉冲激励模块所产生的高压脉冲幅值为20～600V，脉冲宽度小于10us。这样一来所产生高压脉冲激励电压驱动超声探头工作。

此外，显示单元包括显示模块、信息处理模块和信息传输模块，其中信息传输模块通过有线或/和无线与用户终端连通。

也就是说，信息传输模块可以是添加无线传输如wifi、蓝牙等、移动电池模块，方便的将采集处理的数据传输到用户终端。

用户终端主要包含数据接收和后处理显示软件，通过有线和无线的方式与主机连接，其主要功能包括对数据进行分析、判断膀胱尿液的状态、实时动态显示膀胱状态结果、并进行相应的设置、提醒和报警等。常用的用户终端可以是智能手机、平板电脑、移动电脑和智能电视等。

同时，针对上述的接收单元，其主要实现对回波信号的低噪放大、滤波、解包络、获取TOF(Time of Flight，飞行时间)值等。也就是说，其主要由低噪放大器LNA、可调滤波器、包络解调器、比较器、TOF转换器、DAC等组成。

至于控制单元主要实现对各部分工作的控制，且包括激励电路的时序、选通开关、TOF控制，为了便携，采用单片机进行组合。

由于以上技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型利用多阵元的柔性超声传感器检测待测对象的容积状态，无需成像也可得到容积值，可克服现有产品和方法准确性差，专业技术要求高、操作复杂等缺点，同时结构简单、成本低、可便携式穿戴、便捷、方便等诸多优点，因此，有望应用于临床及工业检测的多个领域，此外，不必为每个超声换能器配备单独的激励和接收电路，降低系统的复杂度。

附图说明

图1为本实用新型的超声容积检测系统的主视示意图；

图2为图1中的超声传感器的结构示意图；

图3为本实用新型的超声容积检测系统工作状态示意图；

其中：1、主机；10、高压脉冲激励模块；11、选通电路；12、接收单元；13、控制单元；14、显示单元；2、超声传感器；20、柔性pcb板；20a、连接器端；21、超声换能器；22、柔性封装层；Y、待检测对象。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，按照本实施例的超声容积检测系统，其包括主机1和超声传感器2。

具体的，主机1为常规的结构，其主要包括高压脉冲激励模块10、选通电路11、接收单元12、控制单元13及显示单元14。

高压脉冲激励模块10所产生的高压脉冲幅值为20～600V，脉冲宽度小于10us。这样一来所产生高压脉冲激励电压驱动超声探头工作。

选通电路11主要实现工作超声换能器的选通，从而降低系统的复杂度，不必为每个超声换能器配备单独的激励和接收电路，其中选通电路11所选通的路数至少有两路。

接收单元12，其主要实现对回波信号的低噪放大、滤波、解包络、获取TOF(Time ofFlight，飞行时间)值等。也就是说，其主要由低噪放大器LNA、可调滤波器、包络解调器、比较器、TOF转换器、DAC等组成。

控制单元13主要实现对各部分工作的控制，且包括激励电路的时序、选通开关、TOF控制，为了便携，采用单片机进行组合。

显示单元14包括显示模块、信息处理模块和信息传输模块，其中信息传输模块通过有线或/和无线与用户终端连通。

也就是说，信息传输模块可以是添加无线传输如wifi、蓝牙等、移动电池模块，方便的将采集处理的数据传输到用户终端。

用户终端主要包含数据接收和后处理显示软件，通过有线和无线的方式与主机连接，其主要功能包括对数据进行分析、判断膀胱尿液的状态、实时动态显示膀胱状态结果、并进行相应的设置、提醒和报警等。常用的用户终端可以是智能手机、平板电脑、移动电脑和智能电视等。

结合图2所示，超声传感器2包括呈长条状的柔性pcb板20、沿着柔性pcb板20长度方向间隔分布在柔性pcb板20表面的多个阵列式超声换能器21、以及封装在柔性pcb板20表面且将多个阵列式超声换能器21覆盖的柔性封装层22，其中多个阵列式超声换能器21形成检测范围覆盖整个待检测对象Y的容腔。

具体的，柔性pcb板20也是常规产品，其表面形成有焊盘，每个超声换能器21的正负极均与焊盘连通，且在柔性pcb板20的一端形成连接器端20a，连接器端20a与选通电路11相连通。

每个超声换能器21的背衬层为导电体，焊盘具有正负极，导电体通过导电胶粘接在焊盘上且与焊盘负极连通，超声换能器21的正极通过导电线路与焊盘的正极连通。这样方便超声换能器的电路导通式安装。

本例中，导电胶为银胶。

同时，需要说明的是，若采用了低频的超声换能器，其没有背衬层，但是超声换能器工作层材料两面镀有金、银、铝等导电电极。

超声换能器21为压电超声探头、压电复合超声探头、电容式超声探头或薄膜式超声探头。

超声换能器21的工作频率范围为1～3MHz，且超声换能器的直径1～3mm。这样一来，组成柔性超声传感器的多个超声探头，其可以具有相同的工作中心频率或不同的工作中心频率。这主要取决于该超声探头测量的如果是膀胱前后壁距离较大的位置，其相应位置可以选用频率较低的超声探头，而对应膀胱壁前后距离较小的位置，则选用频率较高的超声探头。

柔性封装层22为水凝胶、硅胶、橡胶或胶带。也就是说，柔性封装层不仅能够对超声换能器和柔性pcb板的电路起到保护作用，而且能够粘附待检测对象，本例中，采用的是PDMS，聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)，是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。

结合图3所示，检测时，柔性封装层22贴设在待检测对象Y的表面且延伸方向与待检测对象Y内液位高度方向一致，启动主机1，主机1通过内部选通开关，依次快速激励各个探头，接收各个探头的回波包络信号，检测出包络信号中容器前后壁的回波信号对应的TOF值，判定容积的大小以及待检测对象Y内液位高度，并在终端软件上实时查看容器液位面的数值变化和动画显示。

此外，若是将待检测对象Y替换为人体，且进行膀胱尿液监测时，可以在用户终端实现液位面与膀胱容积对应关系的自定义，设定预警值，发出警报，紧急情况远程提醒医护人员、家人等。

综上，本实施例具有以下优势：

1、利用多阵元的柔性超声传感器检测待测对象的容积状态，无需成像也可得到容积值，可克服现有产品和方法准确性差，专业技术要求高、操作复杂等缺点；

2、结构简单、成本低、可便携式穿戴、便捷、方便等诸多优点，因此，有望应用于临床及工业检测的多个领域；

3、柔性超声传感器的设置，能够更吻合的贴设在待检测对象表面，从而获得更准确的监测数据；

4、选通电路的选通，不必为每个超声换能器配备单独的激励和接收电路，从而降低系统的复杂度。

以上对本实用新型做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声容积检测系统，其包括超声传感器、主机，其中所述主机包括高压脉冲激励模块、选通电路、接收单元、控制单元及显示单元，其特征在于：所述超声传感器包括呈长条状的柔性pcb板、沿着所述柔性pcb板长度方向间隔分布在所述柔性pcb板表面的多个阵列式超声换能器、以及封装在所述柔性pcb板表面且将多个阵列式所述超声换能器覆盖的柔性封装层，其中所述柔性pcb板与所述选通电路相连通，检测时，所述柔性封装层贴设在待检测对象的表面且延伸方向与待检测对象内液位高度方向一致，且多个阵列式所述超声换能器形成检测范围覆盖整个容腔，所述选通电路所选通的路数至少有两路。

2.根据权利要求1所述的超声容积检测系统，其特征在于：在所述柔性pcb板表面形成有焊盘，每个所述超声换能器的正负极均与所述焊盘连通，且在柔性pcb板的一端形成连接器端，所述连接器端与所述选通电路相连通。

3.根据权利要求2所述的超声容积检测系统，其特征在于：每个所述超声换能器的背衬层为导电体，所述焊盘具有正负极，所述导电体通过导电胶粘接在所述焊盘上且与所述焊盘负极连通，所述超声换能器的正极通过导电线路与所述焊盘的正极连通。

4.根据权利要求3所述的超声容积检测系统，其特征在于：所述导电胶为银胶。

5.根据权利要求1所述的超声容积检测系统，其特征在于：所述超声换能器为压电超声探头、压电复合超声探头、电容式超声探头或薄膜式超声探头，其中所述超声换能器的工作频率范围为0.5～20MHz，且所述超声换能器的直径不大于1cm。

6.根据权利要求5所述的超声容积检测系统，其特征在于：所述超声换能器的工作频率范围为1～3MHz。

7.根据权利要求5或6所述的超声容积检测系统，其特征在于：所述超声换能器的直径1～3mm。

8.根据权利要求1所述的超声容积检测系统，其特征在于：所述柔性封装层为水凝胶、硅胶、橡胶或胶带。

9.根据权利要求1所述的超声容积检测系统，其特征在于：所述高压脉冲激励模块所产生的高压脉冲幅值为20～600V，脉冲宽度小于10us。

10.根据权利要求1所述的超声容积检测系统，其特征在于：所述显示单元包括显示模块、信息处理模块和信息传输模块，其中所述信息传输模块通过有线或/和无线与用户终端连通。